[发明专利]一种超硬低摩且耐磨的保护涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超硬低摩且耐磨的保护涂层及其制备方法，该保护涂层含有Ti,N,Mo和S元素，按照原子数量比计算，各元素的含量范围分别为58.6～52.1％，37.4～38.5％，3.5～8％和0.5～1.4％。其中，非晶的MoS₂包裹立方相的Ti‑Mo‑N固溶体，Ti‑Mo‑N固溶体的晶粒尺寸范围维持在10～20nm。该涂层是通过磁控共溅射技术，运用单质Ti和MoS₂靶材，在N₂和Ar的混合气氛下沉积在基片上所得，通过控制不同的MoS₂靶溅射功率，调控不同的MoS₂掺杂量。本发明提高了纯的TiN薄膜的硬度，使其硬度达到～40GP。同时大大改善了TiN薄膜的摩擦学性能，使得摩擦系数由～0.8降低到～0.1，并使其耐磨性大大提高，由原来的2,000圈失效提升到100,000圈仍未见明显磨痕，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于保护涂层技术领域，涉及一种新型的硫化钼包裹的立方钛钼氮固溶体保护涂层及其制备方法。

背景技术

保护涂层的应用是延长零件使用寿命及解决设备运行过程中的能耗问题的关键技术之一，由于相较于更换零件材料本身来说，这种方法具备更低的成本及更短的生产周期，因此研制出新型的耐久保护涂层显得尤为重要。在实际的使用过程中，无论是高的硬度，低的摩擦系数还是良好的耐磨性都对保护涂层的耐久性发挥起着重要的作用，而在材料设计中，这些性能往往是矛盾存在，因此获得具备这种综合性能的材料体系作为保护涂层材料需要进一步的探究。

在一系列的本征固体润滑剂中，硫化钼是一种被广泛关注的层状材料，由于层间存在弱的作用力，使得这种材料在切向应力的情况下极易发生剪切滑动，因而具备超低的摩擦系数。然而，这种特殊的层状结构导致了低的硬度，使得制备出的纯硫化钼的薄膜材料具备差的耐磨性，降低了保护涂层的有效寿命。因此，对于硫化钼薄膜来说，为了延长其服役时间，一种简单有效的方法是增加其硬度。对此，研究人员通常以硫化钼为基体材料，向其掺杂其他软制金属，如Pb,Ti,Au等，通过这种方法，硬度能够获得一定的提升，同时由于本身基体大量的硫化钼的存在使其保持原有的较低的摩擦系数，尽管如此，提高的硬度也只能达到7Gpa左右，而这种较低的硬度不能有效的改善硫化钼材料本身的耐磨性，即薄膜的综合摩擦性能仍然未能得到极大的提高。过渡族金属氮化物是一类常见的耐火材料，具备高的硬度和良好的耐腐蚀性等特性，在切削工具等机械部件领域占据十分重要的地位。其中，氮化钛由于具备超高的硬度而受到广泛关注。遗憾的是，这种高的硬度伴随着脆性，因此作为保护涂层时，在经受外界高载荷的情况下，极易发生脆性断裂，导致涂层材料失效。另一方面，这种材料在摩擦的过程中，由于摩擦化学反应，会产生金属氧化物，而这种摩擦产物使得薄膜具备高的摩擦系数。因此，过渡族金属氮化物作为保护涂层材料时具备差的摩擦学性能。值得一提的是，这种材料本征的高硬度能够为掺杂到其中的润滑相提供力学支撑，阻止其流失损耗，进而获得长久且稳定的摩擦行为。因此基于高硬的氮化钛薄膜材料，发明一种具备优异摩擦性能的材料体系具有重要意义。

综上，结合硫化钼优异的摩擦学性能和氮化钛的超高硬度，将少量的硫化钼引入到氮化钛中，制备出的硫化钼掺杂的氮化钛的薄膜材料有望在继承超硬特性的同时提高其摩擦性能，进而成为新一代的超硬低摩且耐磨的保护涂层。因此，研发并制备这种少量硫化钼掺杂的氮化钛薄膜材料的技术非常重要。目前，基于超硬的氮化钛，通过掺杂少量的硫化钼制备出的薄膜材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有超硬低摩且耐磨的少量硫化钼掺杂的立方钛钼氮固溶体保护涂层及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种超硬低摩且耐磨的保护涂层，含有Ti,N,Mo和S元素，按照原子数量比计算，各元素的含量范围分别为58.6～52.1％，37.4～38.5％，3.5～8％和0.5～1.4％。其中，非晶的MoS₂包裹立方相的Ti-Mo-N固溶体，Ti-Mo-N固溶体的晶粒尺寸范围维持在10～20nm。